Es könnte als Schockfund bezeichnet werden. Die Beschichtung von Kunststoff- oder Gummimaterialien mit Antioxidantien wie Vitamin E verhindert, dass sich statische Ladung auf der Oberfläche des Polymers aufbaut, berichten Chemiker heute. Die Entdeckung könnte sich als billige Lösung für Probleme erweisen, wie z. B. Staub, der an Kunststoffen haftet, statische Stromschläge oder die Funken, die Fernsehschaltungen beschädigen und Computer-Motherboards durchbrennen lassen.
Kinder können mit statischer Elektrizität Spaß haben – wenn sie Luftballons an ihren Haaren reiben, kleben Gummi und Haare aufgrund der Anziehung zwischen übertragenen geladenen Teilchen zusammen. Aber statische Aufladung, die sich auf industriellen Komponenten wie Kunststoff-Kraftstofffiltern an Autos oder im Inneren von Halbleiterteilen aufbaut, kann zu potenziell gefährlichen elektrischen Funken und einer Staubansammlung führen.
Das Rätsel mit statischer Elektrizität, erklärt Bartosz Grzybowski, ein physikalischer Chemiker an der Northwestern University in Evanston, Illinois, besteht darin, dass sich geladene Teilchen zwar gegenseitig abstoßen sollten, wenn sie auf einer isolierenden Oberfläche landen, so dass sie sich gleichmäßig über ein Material verteilen und zurück in die Luft entweichen, aber tatsächlich bilden sie stabile, langlebige Klumpen. Das führt dazu, dass sich große Mengen eng begrenzter statischer Ladung aufbauen, die sich schlagartig entladen, wenn ein leitfähiger Pfad verfügbar wird: zum Beispiel, indem sie durch einen menschlichen Körper auf ein Metallgeländer schießen oder wie ein Miniaturblitz durch die Luft sausen.
Das Team um Grzybowski berichtet in Science, dass es das Rätsel gelöst hat. Die Forscher untersuchten unter dem Mikroskop die Muster der elektrischen und magnetischen Ladung, die entstehen, wenn geladene Teilchen auf Polymeroberflächen landen. Sie entdeckten, dass geladene Teilchen durch Radikale stabilisiert werden – reaktive Moleküle mit freien, ungebundenen Elektronen, die entstehen, wenn chemische Bindungen auf einer Oberfläche aufgebrochen werden. Die Radikale teilen einen Teil der Last der elektrischen Ladung; ohne sie könnten sich geladene Teilchen nicht so fest zusammenklumpen. Die Antwort, so das Team, besteht darin, Oberflächenbeschichtungen aufzutragen, die chemisch mit den Radikalen reagieren und sie auffangen. Solche Beschichtungen könnten unter anderem Vitamin E und andere billige, ungiftige Antioxidantien enthalten. Einige dieser Chemikalien werden bereits den Mischungen zugesetzt, aus denen Polymere hergestellt werden, um die Radikale abzufangen, die entstehen, wenn ultraviolettes Licht den Kunststoff beschädigt – aber sie wurden bisher nicht als antistatische Beschichtungen verwendet.
Die Forscher bewiesen ihren Fall, indem sie Lösungen von Radikalfängern verwendeten, um gewöhnliche Polymere, wie z.B. Polystyrolkügelchen, zu beschichten. Und tatsächlich: Nachdem sie geschüttelt wurden, um sich statisch aufzuladen, legten die beschichteten Kügelchen ihre statische Elektrizität innerhalb von Minuten ab. Die Wissenschaftler setzten ihre antistatische Beschichtung auch zum Schutz eines Transistorbauteils ein und zeigten, dass es unbeschädigt blieb, als geladene Teilchen aus einer Ionenpistole auf es geschossen wurden. „Es ist eigentlich ziemlich unglaublich, dass die Antwort so einfach ist“, sagt Grzybowski.
Auch andere von Nature kontaktierte Forscher fanden die Arbeit spannend. Der eigentliche Fortschritt sei die Einsicht in die Ursachen der statischen Elektrizität, sagt Michael Dickey, der an der North Carolina State University in Raleigh über Nanoelektronik forscht. „
Der Umgang mit den Auswirkungen statischer Elektrizität ist „ein sehr großes Problem in der Industrie“, sagt Fred Roska, ein Forscher bei 3M in Saint Paul, Minnesota. Er fügt hinzu, dass es ein Milliardenmarkt ist, Wege zu finden, geladene Partikel zu liefern, die die statische Aufladung neutralisieren, die sich zum Beispiel bei der Halbleiterherstellung auf Polymeren aufbaut. Industrieunternehmen gehen auch mit statischer Elektrizität um, indem sie die von ihnen verwendeten Materialien modifizieren: entweder indem sie Polymere mit Wasser- oder Gelbeschichtungen überziehen, durch die die Ladung abgeleitet werden kann, oder indem sie leitfähige Metallstreifen oder Kohlenstoffnanoröhrchen in eine Polymermischung einfügen, um der statischen Ladung einen Weg zum Abklingen zu bieten.
Aber diese Lösungen bringen Kompromisse mit sich, sagt Grzybowski, wie z. B. einen Kunststoff leitfähiger zu machen, und gehen nicht auf die eigentliche Ursache der statischen Aufladung ein. Und er glaubt, dass die antioxidativen Beschichtungen eine billigere Lösung darstellen werden. Er sagt, dass er die Entdeckung patentiert hat und hofft, sie an Firmen wie 3M und Dow zu lizenzieren.
Dieser Artikel wird mit Genehmigung der Zeitschrift Nature wiedergegeben. Der Artikel wurde erstmals am 19. September 2013 veröffentlicht.